KR102067627B1 - 가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법 - Google Patents

가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및 양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 개시된다.

Description

가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법{Hydrogel structure for a gas sensor, gas sensor including the same, method of preparing the hydrogel structure for the gas sensor}
가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
식품의 안정성을 확인하는 식품용 센서로서 감지하고자 하는 물질의 대상과 그 수용체에 따라 바이오센서 또는 가스센서가 주로 사용된다.
이 중, 가스센서는 식품 부패시 발생하는 암모니아, 황화수소 등의 가스 또는 식품의 독성화학물질 등을 검출하여 식품의 안정성을 확인하는데 이용된다.
이러한 식품 안정성을 확인하기 위하여 휴대성이 용이하고 빠른 시간 내에 경제적으로 식품에 존재하는 유해가스의 검출을 확인할 수 있고 대중화된 신규한 구조체가 요구되고 있다.
일 측면은 휴대가 간편하고 빠른 시간 내에 경제적으로 식품에 존재하는 유해가스의 감지가 가능한 가스센서용 하이드로겔 구조체를 제공하는 것이다.
다른 측면은 상기 하이드로겔 구조체를 포함하는 가스센서를 제공하는 것이다.
또다른 측면은 저비용으로 대량생산이 가능한 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면,
제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및
양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체가 제공된다.
다른 측면에 따르면,
전술한 하이드로겔 구조체를 포함하는 가스센서가 제공된다.
다른 측면에 따르면,
제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비하는 단계;
제2 광가교성 아크릴계 단량체, 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, pH 지시염료, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계; 및
상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 전술한 가스센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 제공된다.
일 측면에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체는 유해가스가 코어/쉘 구조체의 주변에 확산될 때 유해가스의 양이온 또는 음이온으로 인해 pH 변화가 발생한다. 이 때, 쉘에 집중적으로 배치된 pH 지시염료로 인해 상기 코어/쉘 구조체의 쉘은 상기 코어와 구별되는 색 변화를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체는 휴대가 간편하고 빠른 시간 내에 식품에 존재하는 유해가스의 감지가 가능한 구조체를 제공할 수 있다.
또한 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 저비용으로 대량생산이 가능하다.
도 1은 일 구현예에 따른 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드)가 음식물 부패시 발생하는 가스(암모니아 가스)에 노출될 때 색이 변화됨을 나타내는 모식도이다.
도 2는 참고예 1에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드)가 음식물 부패시 발생하는 가스(암모니아 가스)에 노출될 때 색이 변화됨을 나타내는 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체(비드)를 전기 분무 장치를 이용하여 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드에 대하여 암모니아 가스 250 ppm, 500 ppm, 및 750 ppm에 각각 노출시킨 후 이의 단면들에 대한 사진이다.
도 5는 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드에 대하여 암모니아 가스 0 ppm, 10 ppm, 50 ppm, 250 ppm, 및 750 ppm으로 각각 노출시켜 이후 상기 비드의 색 변화를 나타낸 사진이다.
이하에 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 일 구현예에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에 사용된 "~ 아크릴계 고분자(단량체)"라는 용어는 "~ 아크릴 고분자(단량체)", 및 "~ 아크릴 고분자(단량체)의 유도체"를 포함하는 개념으로 사용된다.
본 명세서에서, "하이드로겔 구조체"는 "고분자의 망목 구조(network structure)에 물이 유입된 구조체"를 의미하며, 투과성이 높고 내부에 수용액을 포함하여 팽윤되어 있는 구조를 나타낸다.
본 명세서에서, "코어/쉘 구조체"는 내부에 서로 다른 이종의 상 분리로 인해 계면이 형성된 구조체를 의미하며, 계면으로부터 구조체의 중심부 측을 코어로서 그리고 계면으로부터 구조체의 바깥 측을 쉘로서 정의한다.
식품분야에서, 휘발성 유기화합물의 양을 감지하여 식품의 신선도 및 부패여부의 검출이 가능한 휴대용 전자코가 개발되었다. 상기 휴대용 전자코는 휴대가 가능하지만 검출을 위한 기기와 모니터링을 위한 스마트폰의 장비가 구축되어야 함을 전제로 한다.
이러한 휴대용 전자코의 대안으로서, 측정할 물질을 감지했을 때 포함되어 있는 물질과의 상호작용으로 인해 변하는 색상을 감지하는 색 변환 센서가 개발되었다. 상기 색 변환 센서는 감도 특성이 낮기 때문에 감도 특성을 높이기 위하여 이후 페로센 등의 레독스 화합물을 사용하여 기체의 산화환원반응을 촉진시키는 방법 등이 개발되었다. 그러나 레독스 화합물의 경우 그 자체로 유해성이 있어 식품용 센서로 사용함에 한계가 있다.
이를 해결하고자 본 발명의 발명자들은 하기와 같은 가스센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 가스센서, 및 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법을 제안하고자 한다.
일 구현예에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체는 제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및 양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함할 수 있다.
상기 가스센서용 하이드로겔 구조체는 양전하를 갖는 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료를 쉘에 집중적으로 포함하여 실질적으로 식품에 존재하는 암모니아, 황화수소 등의 유해가스의 검출에 이용되는 부분을 좁혀 일반적인 하이드로겔 구조체와 비교하여 보다 빠른 시간 내에 경제적으로 용이하게 유해가스를 감지할 수 있다. 또한 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체는 휴대가 간편하다.
예를 들어, 상기 제1 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112018030079169-pat00001
상기 화학식 1에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;
m, n, l, k는 각각 5 내지 100,000의 정수일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있다.
상기 가스센서용 하이드로겔 구조체는 제1 광가교성 아크릴계 고분자 외에 키토산 또는 알지네이트 등을 더 포함할 수 있다.
상기 양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112018030079169-pat00002
상기 화학식 2에서,
R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, R'6, R'7, R'8, R'9, R'10, R'11, R'12, R'13, R'14, R'15, R'16, R'17, R'18, R'19, R'20, R'21, R'22, R'23, R'24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;
R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;
p, q, r, v는 각각 5 내지 100,000의 정수일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 2에서, R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있다.
상기 pH 지시염료는 브로모페놀블루(BPB), 브로모크레졸퍼플(BCP), 브로모크레졸그린(BCG), 메타크레졸퍼플(mCP), 또는 이들 혼합물로부터 선택될 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead), 섬유, 부직포, 필름, 또는 이들 조합 형태인 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead) 또는 섬유일 수 있다. 상기 비드의 형태는 구형, 타원형, 또는 막대형 등일 수 있고, 예를 들어, 구형일 수 있다.
상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 500 ㎛ 내지 3 mm의 직경, 예를 들어 1 mm 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 비드 또는 섬유 형태의 하이드로겔 구조체는 필름 형태에 비해 표면적이 넓어 식품에 존재하는 유해가스의 감지능력이 개선될 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 특정 가스에 노출시 상기 특정 가스가 확산하여 생성된 H+ 이온 또는 OH- 이온과 상기 쉘의 pH 지시염료가 반응하여 상기 쉘이 상기 코어와 구별되는 색변환을 나타낼 수 있다.
상기 특정 가스는 암모니아(NH3) 가스, 황화수소(H2S) 가스, 에틸렌 가스, 트리메틸아민 가스, 아세트산 가스, 이산화탄소 가스, 또는 이들 혼합가스로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 가스는 암모니아(NH3) 가스일 수 있다.
구체적으로, 상기 특정 가스가 암모니아(NH3) 가스라면, 가스센서용 하이드로겔 구조체가 암모니아 가스에 노출될 경우 상기 암모니아 가스는 하기 <반응식 1>과 같이 우측의 OH- 이온이 분리된다.
<반응식 1>
NH3 + H2O
Figure 112018030079169-pat00003
NH4 + + OH-
도 1은 일 구현예에 따른 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드)가 음식물 부패시 발생하는 가스(암모니아 가스)에 노출될 때 색이 변화됨을 나타내는 모식도이다. 도 2는 참고예 1에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드)가 음식물 부패시 발생하는 가스(암모니아 가스)에 노출될 때 색이 변화됨을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드, 10)는 중심부 측에 코어(11)와 외부 측에 쉘(12)로 구성되어 있고, 쉘(12)에 pH 지시염료(13)가 배치되어 있다. 상기 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드, 10)는 암모니아 가스(14')에 노출될 때 쉘(12')에 pH 지시염료(13')가 배치되어 있어 상기 쉘(12')은 상기 코어(11')와 구별되는 색변환을 나타내는 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드, 10')를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 참고예 1에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드, 20)는 내부에 pH 지시염료(22)가 배치되어 있고 암모니아 가스에 노출될 때 가스센서용 하이드로겔 구조체(비드, 20') 내부의 색이 변화됨을 나타낸다.
일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체는 상기 특정 가스가 10 ppm 이상에서 H+ 이온 또는 OH- 이온과 상기 쉘의 pH 지시염료가 반응하여 상기 코어와 구별되는 색변환을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 가스는 10 ppm 이상, 20 ppm 이상, 30 ppm 이상, 또는 40 ppm 이상 등일 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 식품 보관용 포장재 또는 식품 보관 용기 표면에 패치 형태 또는 투과성이 높은 포장재 또는 식품 보관 용기라면 그 내부에 포함될 수 있다. 따라서 상기 하이드로겔 구조체는 소형화 및 휴대성이 확보될 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 가스센서는 전술한 하이드로겔 구조체를 포함할 수 있다.
또다른 일 구현예에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은, 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비하는 단계; 제2 광가교성 아크릴계 단량체, 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, pH 지시염료, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계; 및 상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 전술한 가스센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유기 매질에 접촉은 전기 분무 장치의 이중 노즐을 통한 분무를 포함할 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체(비드)를 전기 분무 장치를 이용하여 제조하는 방법을 나타낸 개략도이다. 전기 분무 장치는 실린지(2) 및 이중 노즐(3)을 갖추고 있으며 전원 공급원(1)에 연결되어 있다. 이중 노즐(3)을 통해 혼합 수용액 액적이 분무(4)되고 있다. 하이드로겔 구조체(비드)의 직경은 노즐의 니들 크기, 수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리, 용액 주입 속도, 또는 작동 전압에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 노즐의 니들 크기는 18G 내지 27G의 범위에서, 수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리는 1cm 내지 10cm의 범위에서, 작동 전압은 5 내지 20kV의 범위에서 각각 조절될 수 있다. 용액 주입 속도는 1 내지 5ml/h의 범위 내에서 코어와 쉘의 용액 주입 속도를 다르게 하여 조절될 수 있다.
일 구현예에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 하기와 같다.
우선, 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비할 수 있다. 다음으로, 제2 광가교성 아크릴계 단량체, 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, pH 지시염료, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비할 수 있다.
상기 제1 광가교성 아크릴계 단량체 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체를 각각 포함할 수 있다:
[화학식 3]
Figure 112018030079169-pat00004
상기 화학식 3에서,
R25 또는 R26은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 제3 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 4로 표시되는 단량체를 포함할 수 있다:
[화학식 4]
Figure 112018030079169-pat00005
상기 화학식 4에서,
R'30, R'31은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;
R'32, R'33, R'34는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 제1 광개시제 및 상기 제2 광개시제는 서로 독립적으로 2, 2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2-메톡시-2-페닐아세토페논, 2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 아세토페논 유도체, 캄포퀴논 및 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제1 광가교제 및 상기 제2 광가교제는 서로 독립적으로 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 6-헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디비닐 벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 이소포론 디이소시아네이트, 글리시딜메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 또는 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 자일렌, 에탄올, 에테르로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 pH 지시염료는 상기 쉘 수용액에 0.001 M 내지 0.005 M 로 분산될 수 있다. 상기 pH 지시염료는 상기 분산 농도의 범위 내에서 10 ppm 수준의 극미량 이상의 전술한 특정 가스의 감지가 가능하다
다음으로, 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 전술한 가스센서용 하이드로겔 구조체를 제조한다.
상기 가스센서용 하이드로겔 구조체는 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 실린지(2)에 넣고 이를 이중 노즐(3)에 주입한 후 분무한 액적(4)을 유기 매질에 떨어뜨린다. 상기 분무 액적(4)은 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이의 계면 형성으로 인해 상(phase) 분리되고 상기 유기 매질에서 분무 액적(4)이 분리되면서 그 내부에서 UV 공급원을 이용한 광중합 반응을 수행하여 가스센서용 코어/쉘 하이드로겔 구조체(비드, 6)를 제조한다. 상기 UV 공급원을 이용한 광중합 반응은 UV 공급원으로 인해 제1 광개시제 또는 제2 광개시제의 라디칼이 형성되고 제1 광가교제 또는 제2 광가교제를 포함한 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 또는 제2 광가교성 아크릴계 단량체 및 제3 광가교성 아크릴계 단량체의 탄소 이중결합(=CH2)의 가교 결합이 진행되는 것이다. 상기 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 비용이 절감되어 대량생산이 가능하다.
상기 유기 매질은 미네랄 오일을 포함할 수 있다. 상기 유기 매질은 미네랄 오일 외에 당해 기술분야에서 사용 가능한 유기 매질의 이용이 가능하다.
본 명세서의 화학식에 사용된 치환(기)의 정의에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
상기 알킬기 또는 아릴기가 갖는 “치환”은 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1 내지 C10의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1 내지 C10의 알킬기, C2 내지 C10의 알케닐기, C2 내지 C10의 알키닐기, C1 내지 C20의 헤테로알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C6 내지 C20의 아릴알킬기, C6 내지 C20의 헤테로아릴기, 또는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기로 치환된 것을 의미한다.
화학식에서 사용되는 C1 내지 C10의 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, ter-부틸, neo-부틸, iso-아밀, 또는 헥실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 "치환"에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 C6 내지 C20의 아릴기의 구체적인 예로는 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등을 들 수 있고, 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 "치환"에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알케닐기의 구체적인 예로는 비닐렌, 알릴렌 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알키닐기의 구체적인 예로는 아세틸렌 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C1 내지 C20의 헤테로알킬기 또는 아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 N, O, S, 또는 P와 같은 헤테로원자 또는 페닐 등과 같은 아릴기로 대체된 것을 의미한다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있고 하나 이상의 고리를 포함하는 방향족 시스템인 것을 의미하며, 예를 들어 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 유기 화합물인 것을 의미하며, 예를 들어 피리딜 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 전술한 헤테로아릴기로 대체된 것을 의미한다.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 코어/쉘 하이드로겔 비드의 제조
하기 화학식 3-1로 표시되는 제1 광가교성 아크릴계 단량체(HEMA), 제1 광가교제로서 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 제1 광개시제로서 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA), 및 톨루엔을 각각 100:1:1:1의 몰비로 코어 용액을 준비하였다.
하기 화학식 3-1로 표시되는 제2 광가교성 아크릴계 단량체(HEMA), 하기 화학식 4-1로 표시되는 제3 광가교성 아크릴계 단량체(MAETC), 제2 광가교제로서 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 제2 광개시제로서 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA), 및 물을 각각 100: 1: 1: 1: 1의 몰비로 쉘 수용액을 준비하였다. 상기 쉘 수용액에 pH 지시염료로서 브로모페놀블루(BPB)를 4 mM 농도로 함께 분산하였다.
상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 변압기(230 High Voltage Power Supply,Spellman사 제조)와 실린지 펌프(KDS100, KD Scientific사 제조)를 갖춘 전기분무장치(수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리: 1 cm)의 이중 노즐 (내부 크기: 직경 400μm, 외부 크기: 직경 900μm)에 각각 주입(코어의 주입속도: 1 ml/h, 쉘의 주입속도: 2 ml/h)하여 상온에서 10 kV의 전압으로 미네랄 오일에 분무하였고, UV 공급원(파장: 365 nm)을 이용한 광중합 반응을 수행하여 하기 화학식 1-1로 표시되는 제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어, 및 하기 2-1로 표시되는 양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료로서 브로모페놀블루(BPB)를 포함하는 쉘로 구성된 코어/쉘 가스센서용 하이드로겔 비드를 제조하였다.
[화학식 1-1]
Figure 112018030079169-pat00006
상기 화학식 1-1에서,
a, b, c, d는 각각 약 100 ~ 1,000이다.
[화학식 2-1]
Figure 112018030079169-pat00007
상기 화학식 2-1에서,
a1, b1, c1, d1는 각각 약 100 ~ 1,000이다.
[화학식 3-1]
Figure 112018030079169-pat00008
[화학식 4-1]
Figure 112018030079169-pat00009
참고예 1: 하이드로겔 비드의 제조
상기 화학식 3-1로 표시되는 광가교성 아크릴계 단량체(HEMA), 광가교제로서 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 광개시제로서 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA), 및 물을 각각 100:1:1:1의 몰비로 광가교성 아크릴계 단량체 함유 수용액을 준비하였다. 상기 광가교성 아크릴계 단량체 함유 수용액에 pH 지시염료로서 브로모페놀블루(BPB)를 4 mM 농도로 분산하여 혼합 수용액을 제조하였다.
상기 혼합 수용액을 변압기(230 High Voltage Power Supply,Spellman사 제조)와 실린지 펌프(KDS100, KD Scientific사 제조)를 갖춘 전기분무장치(수집부와 방사 노즐팁 사이의 거리: 1 cm)의 노즐(니들 크기: 27 G)에 주입(주입속도: 1 ml/h)하여 상온에서 5 kV의 전압으로 미네랄 오일에 분무하였고, UV 공급원(파장: 365 nm)을 이용하여 광중합 반응을 수행하여 상기 화학식 1-1로 표시되는 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료로서 브로모페놀블루(BPB)를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 비드를 제조하였다.
분석예 1: 비드의 직경 및 코어/쉘 구조 확인
실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드의 구조를 확인하기 위하여 암모니아 가스 250 ppm, 500 ppm, 및 750 ppm에 각각 노출시킨 후 이의 단면들을 카메라(Nikon사, VH-310G2)로 관찰하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드는 약 200㎛ ~ 3mm 직경을 확인할 수 있다. 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드를 암모니아 가스 250 ppm, 500 ppm, 및 750 ppm에 각각 노출시 쉘에 포함된 브로모페놀블루(BPB) pH 지시염료의 색이 변하여 코어와 쉘의 경계가 구별됨을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드의 구조를 확인할 수 있다.
평가예 1: 가스 감지 평가
실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드에 대하여 암모니아 가스 0 ppm, 10 ppm, 50 ppm, 250 ppm, 및 750 ppm에 각각 노출시켜 이후 상기 비드의 색 변화를 카메라(Nikon사, VH-310G2)로 관찰하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 코어/쉘 하이드로겔 비드는 10 ppm 이상의 암모니아 가스에 노출시 그 내부의 pH 변화에 따라 노란색에서 점차 파란색으로 변화하였고 코어/쉘 하이드로겔 비드의 쉘은 코어와 구별되어 짙은 색으로 변화하였다. 또한 암모니아 가스의 농도가 증가할수록 암모니아 가스의 감도 또한 증가하였다.
1: 전원 공급원,  2: 실린지, 3: 이중 노즐,
4: 분무 액적, 5: 유기 매질,
6, 10: 코어/쉘 가스센서용 비드(색 변화 전),
10': 코어/쉘 가스센서용 비드(색 변화 후),
11: 코어(색 변화 전), 11': 코어((색 변화 후),
12: 쉘(색 변화 전), 12': 쉘(색 변화 후),
13, 22: pH 지시염료(색 변화 전), 13', 22': pH 지시염료(색 변화 후),
14', 24': 암모니아 가스, 20: 가스센서용 비드(색 변화 전),
20': 가스센서용 비드(색 변화 후)

Claims (22)

  1. 제1 광가교성 아크릴계 고분자를 포함하는 코어; 및
    양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자 및 pH 지시염료를 포함하는 쉘;로 구성된 코어/쉘 구조체를 포함하고,
    하이드로겔 구조체는 특정 가스에 노출시 상기 특정 가스가 확산하여 생성된 H+ 이온 또는 OH- 이온과 상기 쉘의 pH 지시염료가 반응하여 상기 쉘이 상기 코어와 구별되는 색변환을 나타내는 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체:
    [화학식 1]
    Figure 112018030079169-pat00010

    상기 화학식 1에서,
    R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
    m, n, l, k는 각각 5 내지 100,000의 정수이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24는 서로 독립적으로 수소원자, 또는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기인 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양이온성 관능기를 포함한 제2 광가교성 아크릴계 고분자는 하기 화학식 2로 표시되는 고분자를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체:
    [화학식 2]
    Figure 112018030079169-pat00011

    상기 화학식 2에서,
    R'1, R'2, R'3, R'4, R'5, R'6, R'7, R'8, R'9, R'10, R'11, R'12, R'13, R'14, R'15, R'16, R'17, R'18, R'19, R'20, R'21, R'22, R'23, R'24는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
    R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합이며;
    p, q, r, v는 각각 5 내지 100,000의 정수이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화학식 2에서, R'25, R'26, R'27은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기인 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 pH 지시염료는 브로모페놀블루(BPB), 브로모크레졸퍼플(BCP), 브로모크레졸그린(BCG), 메타크레졸퍼플(mCP), 또는 이들 혼합물로부터 선택된 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead), 섬유, 부직포, 필름, 또는 이들 조합 형태인 것을 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 갖는 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 특정 가스는 암모니아(NH3) 가스, 황화수소(H2S) 가스, 에틸렌 가스, 트리메틸아민 가스, 아세트산 가스, 이산화탄소 가스, 또는 이들 혼합가스로부터 선택된 1종 이상인 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔 구조체는 상기 특정 가스가 10 ppm 이상에서 H+ 이온 또는 OH- 이온과 상기 쉘의 pH 지시염료가 반응하여 상기 코어와 구별되는 색 변환을 나타내는 가스센서용 하이드로겔 구조체.
  12. 제1항 내지 제8항, 제10항, 및 제11항 중 어느 한 항에 따른 하이드로겔 구조체를 포함하는 가스센서.
  13. 제1 광가교성 아크릴계 단량체, 제1 광개시제, 제1 광가교제, 및 유기용매를 포함하는 코어 용액을 준비하는 단계;
    제2 광가교성 아크릴계 단량체, 제3 광가교성 아크릴계 단량체, 제2 광개시제, 제2 광가교제, pH 지시염료, 및 물을 포함하는 쉘 수용액을 준비하는 단계; 및
    상기 코어 용액 및 상기 쉘 수용액을 유기 매질에 접촉 및 광중합 반응을 수행하여 제1항 내지 제8항, 제10항 및 제11항 중 어느 한 항에 따른 가스센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유기 매질에 접촉은 전기 분무 장치의 이중 노즐을 통한 분무를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광가교성 아크릴계 단량체 및 상기 제2 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 3으로 표시되는 단량체를 각각 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법:
    [화학식 3]
    Figure 112018030079169-pat00012

    상기 화학식 3에서,
    R25 또는 R26은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이다.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제3 광가교성 아크릴계 단량체는 하기 화학식 4로 표시되는 단량체를 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법:
    [화학식 4]
    Figure 112018030079169-pat00013

    상기 화학식 4에서,
    R'30, R'31은 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
    R'32, R'33, R'34는 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기, 또는 이들의 조합이다.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광개시제 및 상기 제2 광개시제는 서로 독립적으로 2, 2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2-메톡시-2-페닐아세토페논, 2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 아세토페논 유도체, 캄포퀴논 및 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상인 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 광가교제 및 상기 제2 광가교제는 서로 독립적으로 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 3-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디메타크릴레이트, 1, 4-부탄디올 디아크릴레이트, 1, 6-헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디비닐 벤젠, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 이소포론 디이소시아네이트, 글리시딜메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트, 또는 이들 혼합물로부터 선택된 1종 이상인 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 자일렌, 에탄올, 에테르로부터 선택된 1종 이상인 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 pH 지시염료가 상기 쉘 수용액에 0.001 M 내지 0.005 M 로 분산된 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 유기 매질에 접촉 이후 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이의 계면 형성으로 인해 상(phase) 분리되고 광중합 반응을 수행하여 코어/쉘 구조체를 제조하는 공정을 더 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 유기 매질은 미네랄 오일을 포함하는 가스센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
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